RU1840775C

RU1840775C - Low-frequency electroacoustic converter

Info

Publication number: RU1840775C
Application number: SU1521472/09A
Authority: RU
Inventors: Б.М. Степанов (RU); Б.М. Степанов
Original assignee: ОАО "Концерн "Океанприбор" (RU); ОАО "Концерн "Океанприбор"
Priority date: 1970-07-01
Filing date: 1970-07-01
Publication date: 2009-07-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering field and can be used in hydroacoustics and at geophysical investigations. Device contains spring and connected to it receiving-emitting plate. Spring is partially or fully is implemented from active material in the form of operating on flexural vibration active plates or rings, stacked and connected to each other by stiff crosspieces.

EFFECT: weight decrease and effectiveness increase of converter.

5 dwg

Description

Предлагаемый преобразователь может быть использован в гидроакустике и при геофизических исследованиях.The proposed Converter can be used in sonar and in geophysical exploration.

Величина акустической мощности весьма низкочастотных преобразователей ограничивается динамической прочностью колебательной системы в районе резонанса, а вне резонанса - коэффициентом электромеханической связи системы преобразования энергий и ее энергоемкостью.The magnitude of the acoustic power of very low-frequency converters is limited by the dynamic strength of the oscillatory system in the region of resonance, and outside resonance, by the electromechanical coupling coefficient of the energy conversion system and its energy intensity.

Наиболее перспективными резонансными излучателями весьма низших звуковых и инфразвуковых частот (20÷200) Гц, допускающими излучение больших мощностей без разрушения колебательной системы, являются преобразователи, упругий элемент колебательной системы которых выполнен в виде пружины, а элементом массы служит приемо-излучающая пластина, установленная на торце пружины и совершающая при работе поршневые колебания.The most promising resonant emitters of very low sound and infrasound frequencies (20 ÷ 200) Hz, allowing the emission of high power without destroying the oscillatory system, are converters, the elastic element of the oscillatory system of which is made in the form of a spring, and the receiving element is a receiving-emitting plate mounted on the end of the spring and piston vibrations during operation.

Известен низкочастотный электроакустический преобразователь с переменным магнитным зазором, представленный на фиг.1 (см. Журнал института радиоинженеров IEEE, Intern. Convention record, part 9, 1963 г. стр.57), в котором пружина 1 выполнена из пассивного материала - металла и служит только элементом упругости, а приемно-излучающая пластина 2, возбуждаемая электромагнитом 3, вместе с якорем электромагнита является элементом массы. Приемно-излучающая пластина развязана от прочного жесткого корпуса (4) элементом механической развязки (5).Known low-frequency electro-acoustic transducer with a variable magnetic gap, presented in figure 1 (see Journal of the Institute of Radio Engineers IEEE, Intern. Convention record, part 9, p. 57, 19), in which the spring 1 is made of passive material - metal and serves only an element of elasticity, and the receiving-emitting plate 2, excited by the electromagnet 3, together with the armature of the electromagnet is an element of mass. The receiving-emitting plate is decoupled from a strong rigid body (4) by a mechanical decoupling element (5).

Недостатками известного преобразователя являются:The disadvantages of the known Converter are:

1) Большой вес в основном за счет электромагнита с якорем.1) Large weight mainly due to the electromagnet with an anchor.

2) Нестабильность излучения в области резонанса при больших амплитудах колебаний, сравнимых с величиной магнитного зазора между якорем и сердечником электромагнита.2) Instability of radiation in the resonance region at large amplitudes of oscillations, comparable with the magnitude of the magnetic gap between the armature and the core of the electromagnet.

3) Низкий коэффициент полезного действия (к.п.д. ~10%).3) Low efficiency (efficiency ~ 10%).

4) Узкая полоса рабочих частот.4) A narrow band of operating frequencies.

Все недостатки этого преобразователя связаны с наличием у него электромагнита с якорем. Для получения большой мощности порядка 10 Вт на частоте 30 Гц, а следовательно, и больших амплитуд колебаний поршня (1÷3) мм, необходимо иметь и большой зазор. Известно, что с увеличением зазора при всех прочих равных условиях, уменьшается коэффициент электромеханической связи и возбуждающая сила, а следовательно, и коэффициент полезного действия и полоса излучения. С другой стороны, чтобы преобразователь был линейным, необходимо амплитуду колебаний ξ_m иметь значительно меньше зазора δ (при ξ_m≤δ из-за нелинейности магнито-механической упругости зазора колебания в области резонанса становятся неустойчивыми).All the disadvantages of this converter are associated with the presence of an electromagnet with an anchor. To obtain a large power of the order of 10 W at a frequency of 30 Hz, and therefore large amplitude amplitudes of the piston (1 ÷ 3) mm, it is necessary to have a large gap. It is known that with an increase in the gap, ceteris paribus, the coefficient of electromechanical coupling and the exciting force decrease, and consequently, the efficiency and the emission band. On the other hand, for the converter to be linear, it is necessary to have an oscillation amplitude ξ _m much smaller than the gap δ (for ξ _m ≤δ, due to the nonlinearity of the magneto-mechanical elasticity of the gap, the oscillations in the resonance region become unstable).

Целью настоящего изобретения является: уменьшение веса, улучшение параметров преобразователя (повышение к.п.д. и стабильности, расширение полосы излучения). Цель достигается тем, что пружина преобразователя частично или полностью выполнена из активного (магнитострикционного, пьезокерамического) материала, например, в виде работающих на колебаниях изгиба активных (биморфных, биметаллических) пластин (консольно закрепленных, либо опертых частично или полностью по контуру) или колец, расположенных друг над другом, и соединенных между собой жесткими перемычками (связями) в местах с максимальным прогибом. Таким образом, в предлагаемом преобразователе система преобразования энергии совмещена с упругим элементом - пружиной, что позволило исключить из известной конструкции преобразователя электромагнит с якорем.The aim of the present invention is: reducing weight, improving the parameters of the Converter (improving efficiency and stability, expanding the emission band). The goal is achieved in that the transducer spring is partially or completely made of active (magnetostrictive, piezoelectric) material, for example, in the form of active (bimorph, bimetallic) plates working on bending vibrations (cantilevered or supported partially or completely along the contour) or rings, located one above the other, and interconnected by hard jumpers (connections) in places with maximum deflection. Thus, in the proposed transducer, the energy conversion system is combined with an elastic element - a spring, which made it possible to exclude an electromagnet with an anchor from the known transducer design.

Выполнение активных пластин или колец переменного сечения (с равной прочностью) по длине их позволяет дополнительно снизить вес преобразователя и несколько улучшить параметры.The execution of active plates or rings of variable cross-section (with equal strength) along their length can further reduce the weight of the converter and slightly improve the parameters.

Самостоятельные электрические выводы от отдельных участков по длине активной пружины обеспечивают возможность получения дополнительно более высоких резонансных частот (мод колебаний) предлагаемого преобразователя путем противофазного возбуждения отдельных участков пружины. (Аналогом данной колебательной системы является стержень с накладкой (массой)). Такая мера позволяет значительно расширить диапазон излучаемых частот.Independent electrical leads from individual sections along the length of the active spring provide the possibility of obtaining additionally higher resonant frequencies (vibration modes) of the proposed converter by antiphase excitation of individual sections of the spring. (An analog of this oscillatory system is a rod with an overlay (mass)). This measure allows you to significantly expand the range of emitted frequencies.

Конструкция предлагаемого преобразователя поясняется чертежами (фиг.2 - 5). На фиг.2 показан продольный, на фиг.3 - поперечный разрез предлагаемого преобразователя с пружиной из активных консольных пластин. На фиг.4 и 5 изображена пружина из активных колец; на фиг.4 показан ее продольный разрез, а на фиг.5 - поперечный.The design of the proposed Converter is illustrated by drawings (figure 2 - 5). Figure 2 shows a longitudinal, figure 3 is a cross section of the proposed Converter with a spring of active cantilever plates. Figures 4 and 5 show a spring of active rings; figure 4 shows its longitudinal section, and figure 5 is a transverse.

Пружина (1) преобразователя (см. фиг.2 и 3) собрана из консольных (равнопрочных) активных составных (пьезокерамика - металл) пластин 6, соединенных между собой жесткими перемычками 7 на одном конце и кольцами 8 на другом. Каждая из пружин 1 с одной стороны соединена с приемно-излучающей пластиной 2, а с другой - с общим основанием 4. Герметизация внутренней полости преобразователя и механическая развязка излучающих пластин от общего основания осуществлена сильфонами 5.The spring (1) of the transducer (see FIGS. 2 and 3) is assembled from cantilever (equal-strength) active composite (piezoceramics - metal) plates 6, interconnected by rigid jumpers 7 at one end and rings 8 at the other. Each of the springs 1 is connected, on the one hand, to the receiving-emitting plate 2, and on the other, to the common base 4. Sealing of the internal cavity of the transducer and mechanical isolation of the emitting plates from the common base are carried out by bellows 5.

Пружина другой конструкции (аналогичная цилиндрической прорезной) (см. фиг.4, 5) собрана из активных (пьезокерамических биморфных или магнитострикционных биметаллических, например, никель-пермендюр) колец 6, работающих на колебаниях изгиба, перпендикулярных плоскости торцов кольца. Активные кольца расположены соосно друг над другом с некоторым зазором и торцы каждых двух соседних колец соединены в нескольких точках жесткими перемычками (связями) 7; при этом верхние перемычки одного и того же кольца сдвинуты относительно нижних на угол

, где n - число перемычек между двумя соседними кольцами. (На фиг.3 и 4 для простоты изображена пружина с n=2).A spring of a different design (similar to a cylindrical slotted one) (see Figs. 4, 5) is assembled from active (piezoceramic bimorph or magnetostrictive bimetallic, for example, nickel-permendure) rings 6 operating on bending vibrations perpendicular to the plane of the ends of the ring. Active rings are located coaxially one above the other with a certain gap and the ends of each two adjacent rings are connected at several points by rigid jumpers (links) 7; while the upper jumpers of the same ring are shifted relative to the lower by an angle

where n is the number of jumpers between two adjacent rings. (Figs. 3 and 4 show a spring with n = 2 for simplicity).

С целью улучшения эксплуатационных свойств, в частности увеличения устойчивости пружины к поперечным нагрузкам, рекомендуется брать n>2.In order to improve operational properties, in particular, to increase the spring stability to transverse loads, it is recommended to take n> 2.

Каждое кольцо в районе нижних перемычек имеет утоньшение, благодаря которому обеспечиваются условия, близкие к опертости (малая величина изгибающего момента в заделке).Each ring in the region of the lower bridges has a thinning, due to which conditions are provided that are close to abrasion (a small amount of bending moment in the seal).

Работа преобразователя, изображенного на фиг.2 и 3, осуществляется следующим образом.The operation of the Converter depicted in figure 2 and 3, as follows.

а) В режиме излучения: при синфазном возбуждении активных пластин 6 электрическим (магнитным) полем, каждая из них, например, первая от общего основания, прогибается так, что ее конец вместе с перемычкой 7 получает смещение ξ₁, вторая тоже деформируется, при этом ее начало вместе с кольцом 8 получает смещение ξ₂ относительно конца этой же пластины и перемычки между первым и вторым кольцом. В результате начало второй пластины вместе с кольцом переместится относительно неподвижного основания на ξ₁+ξ₂. Суммарная деформация всех пластин, а следовательно, и смещение приемно-излучающей пластины относительно неподвижного основания определится как

где m - число "этажей" пружины (число пластин друг над другом). За счет деформации активных пластин 3 второй пружины вторая излучающая пластина получит смещение ξ_2Σ. Поскольку внутренний объем преобразователя изолирован от внешней среды сильфонами, то преобразователь во внешней среде будет создавать объемное смещение:a) In the radiation mode: when the active plates 6 are in-phase excited by an electric (magnetic) field, each of them, for example, the first from the common base, bends so that its end together with the jumper 7 receives an offset ξ ₁ , the second also deforms, while its beginning, together with ring 8, receives an offset ξ ₂ relative to the end of the same plate and the bridge between the first and second rings. As a result, the beginning of the second plate together with the ring moves relative to the fixed base by ξ ₁ + ξ ₂ . The total deformation of all the plates, and therefore the displacement of the receiving-emitting plate relative to the fixed base, is defined as

where m is the number of "floors" of the spring (the number of plates above each other). Due to the deformation of the active plates 3 of the second spring, the second radiating plate will receive an offset ξ _2Σ . Since the internal volume of the transducer is isolated from the external environment by bellows, the transducer in the external environment will create a volume displacement:

Δυ=ξ_1ΣS₁+ξ_2ΣS₂,Δυ = ξ _1Σ S ₁ + ξ _2Σ S ₂ ,

где S₁и S₂ - площади приемно-излучающих пластин. Если S₁=S₂=S и ξ_1Σ=ξ_2Σ, то Δυ=2ξ_iΣ·S, в частном случае, когда ξ₁=ξ₂=ξ_i, Δυ=2mξ_iS. (Этот случай реализуется всегда ниже первого резонанса, а так же в районе первого резонанса, если эквивалентная масса пружины меньше суммарной массы излучающей пластины и присоединенной массы среды). При работе на более высоких частотах (на следующих модах) отдельные участки пружины могут деформироваться в противофазе. Для более эффективной работы преобразователя необходимо и противофазное возбуждение этих участков.where S ₁ and S ₂ - the area of the receiving-emitting plates. If S ₁ = S ₂ = S and ξ _1Σ = ξ _2Σ , then Δυ = 2ξ _iΣ · S, in the particular case when ξ ₁ = ξ ₂ = ξ _i , Δυ = 2mξ _i S. (This case is always realized below the first resonance, as well as in the region of the first resonance, if the equivalent mass of the spring is less than the total mass of the radiating plate and the attached mass of the medium). When working at higher frequencies (in the following modes), individual sections of the spring can be deformed in antiphase. For more efficient operation of the converter, antiphase excitation of these sections is also necessary.

Рассмотрим работу преобразователя в режиме приема. Предположим, что звуковое давление p воздействует на обе излучающие пластины, создавая усилие F=p·S. Это усилие через кольцо передается на первую от излучающей пластины активную пластину и деформирует ее, при этом в области частот ниже первого резонанса те же усилия передаются и на следующие активные пластины. Благодаря прямому пьезоэффекту (или обратному магнитострикционному) в активных пластинах возникает электрическое (магнитное) поле и в результате электрический сигнал от отдельных пластин суммируется, т.е. увеличивается удельная чувствительность преобразователя. Как показывают расчет и эксперимент, механические напряжения по длине в пластинах равного сопротивления при изгибе (переменной ширины, равнопрочных по длине) получаются постоянными, что позволяет получить максимальную удельную чувствительность при заданной статической прочности и резонансной частоте.Consider the operation of the converter in receive mode. Suppose that sound pressure p acts on both emitting plates, creating a force F = p · S. This force is transmitted through the ring to the first active plate from the emitting plate and deforms it, while in the frequency region below the first resonance, the same forces are transmitted to the next active plates. Due to the direct piezoelectric effect (or the inverse magnetostrictive one), an electric (magnetic) field appears in the active plates and as a result, the electrical signal from the individual plates is summed, i.e. the specific sensitivity of the converter increases. As the calculation and experiment show, mechanical stresses along the length in plates of equal resistance to bending (variable width, equal strength along the length) are constant, which allows to obtain the maximum specific sensitivity for a given static strength and resonant frequency.

Аналогично вышеупомянутому работает преобразователь, содержащий другую активную пружину, например, составленную из активных колец (см. фиг.4 и 5). Необходимо заметить, что если используются кольца постоянного сечения, то у них в районе перемычек (опор) возникает изгибающий момент (например, так же, как у защемленной балки). В результате этого изгибающий момент, а следовательно, и нормальные механические напряжения по длине кольца получаются знакопеременными (противофазными). Чтобы получить максимальную эффективность преобразователя, необходимо в местах кольца с противофазными механическими напряжениями обеспечить и противофазное возбуждение (изменяя направление либо поляризующего поля, либо возбуждающего). Если для пьезокерамического кольца реализовать это просто, например заполяризовать пьезокерамику в разных направлениях, то для магнитострикционного кольца эта мера требует усложнения магнитной цепи и приводит к дополнительному рассеянию магнитной энергии и уменьшению коэффициента электромеханической связи.Similarly to the aforementioned, a transducer comprising another active spring, for example, composed of active rings (see FIGS. 4 and 5), works. It should be noted that if rings of constant cross section are used, then a bending moment arises in the area of the jumpers (supports) (for example, in the same way as in a clamped beam). As a result of this, the bending moment, and, consequently, the normal mechanical stresses along the length of the ring are obtained alternating (antiphase). To obtain the maximum efficiency of the converter, it is necessary to provide antiphase excitation in places of the ring with antiphase mechanical stresses (changing the direction of either the polarizing field or the exciting one). If it is simple to realize for a piezoceramic ring, for example, to polarize piezoceramics in different directions, for a magnetostrictive ring this measure requires the complication of the magnetic circuit and leads to additional dissipation of the magnetic energy and a decrease in the electromechanical coupling coefficient.

Для упрощения возбуждения кольца необходимо у них в районе нижних перемычек делать утоньшения, благодаря которым можно получить изгибающий момент в заделке, близкий к нулю, следовательно, и синфазные механические напряжения по всей длине кольца. При наличии механической развязки (утоньшений) в кольце вблизи нижних пермычек достаточно на магнитострикционное биметаллическое кольцо нанести тороидальную обмотку, пропустить через нее постоянный и переменный ток, и каждое кольцо получит деформацию изгиба в направлении, перпендикулярном плоскости его торца.To simplify the excitation of the ring, it is necessary to make thinning in the region of the lower jumpers, due to which it is possible to obtain a bending moment close to zero in the seal, therefore, in-phase mechanical stresses along the entire length of the ring. In the presence of mechanical isolation (thinning) in the ring near the lower pegs, it is enough to apply a toroidal winding to the magnetostrictive bimetallic ring, pass direct and alternating current through it, and each ring will receive bending deformation in the direction perpendicular to the plane of its end face.

Суммарная деформация пружины и смещение излучающей пластины относительно неподвижного основания определяется так же, как и для пружины, составленной из консольно закрепленных пластинThe total deformation of the spring and the displacement of the radiating plate relative to the fixed base is determined in the same way as for a spring composed of cantilevered plates

,

где ξ_i - прогиб в месте верхней перемычки кольца (для каждого кольца нижние перемычки можно считать опорами, а верхние - передающими элементами).where ξ _i is the deflection at the place of the upper jumper of the ring (for each ring, the lower jumpers can be considered supports and the upper ones as transmitting elements).

Исследования 2-х лабораторных макетов преобразователей, содержащих 2 вида пружин: а) составленных из пьезокерамических колец; б) консольных пластин, имеющих резонансные частоты в воздухе 24 Гц и 105 Гц, подтвердили все изложенные выше соображения.Studies of 2 laboratory mock transducers containing 2 types of springs: a) composed of piezoceramic rings; b) cantilever plates having resonant frequencies in air of 24 Hz and 105 Hz, confirmed all the above considerations.

Ранее были изготовлены действующие макеты излучателей с двумя резонансными частотами в воде 11 и 46 Гц, содержащие пружины из пьезокерамических и магнитострикционных колец, работающих на колебаниях изгиба. Расчетный к.п.д. пьезокерамического излучателя (20÷30)%, амплитуда колебаний приемно-излучающей пластины ~(5÷10) мм, диаметр пластины - 600 мм.Previously, operating models of emitters with two resonant frequencies in water of 11 and 46 Hz were made, containing springs from piezoceramic and magnetostrictive rings operating on bending vibrations. Estimated efficiency piezoceramic emitter (20 ÷ 30)%, the amplitude of the oscillations of the receiving-emitting plate is ~ (5 ÷ 10) mm, the diameter of the plate is 600 mm.

Claims

A low-frequency electro-acoustic transducer containing a spring and a receiving-emitting plate attached to it, characterized in that, in order to reduce the weight of the transducer and increase its efficiency, the transducer spring in it is partially or completely made of active material in the form of active plates operating on bending vibrations ( or rings) located one above the other and interconnected by hard jumpers.